Б.М.Понтекорво и нейтрино
Закончена работа над подготовкой к изданию книги избранных трудов Б. М. Понтекорво и воспоминаний о нем. Книга будет издана в России издательством «Наука» в серии «Классики науки» и в Италии (английский вариант) Итальянским физическим обществом. 22 августа Бруно Максимовичу исполнилось бы 84 года. В этом номере - статья С. М. Биленького, являющаяся предисловием к указанной книге.
Б. Понтекорво был ярким, выдающимся физиком. Он внес крупный вклад в разные области физики. Читатель этого собрания трудов Б. М. Понтекорво получит довольно полное представление о разнообразии его научных интересов и о его вкладе в современную экспериментальную и теоретическую физику.
Основной фундаментальный вклад Б. Понтекорво внес в физику нейтрино. Он, несомненно, является одним из основателей этой современной области физики. В течение многих лет я работал с Бруно Максимовичем, занимаясь, главным образом, проблемой смешивания нейтрино. Его вклад в физику нейтрино, его понимание этих удивительных частиц и их роли в физике элементарных частиц и астрофизике мне хорошо знакомы. В основном об этом я постараюсь написать.
Б. Понтекорво родился в 1913 году в городе Пизе (Италия). В Пизе он поступил в университет. Затем Б. Понтекорво работал в знаменитой римской группе Э. Ферми, в которую входили такие известные физики, как Э. Амальди, Ф. Разетти, Э. Сегрэ и О. Д’Агостино (сотрудников этой группы принято называть парнями с улицы Панисперна - улицы в Риме, на которой находился Институт физики).
В 1932 году Чэдвиком был открыт нейтрон, и время, в течение которого Б. Понтекорво работал в группе Ферми, было временем бурного развития нейтрнной физики. Э. Ферми и его группа внесли фундаментальный вклад в нейтронную физику на этом первоначальном этапе ее развития. Прежде всего необходимо отметить открытие являения замедления нейтронов, которое широко используется в ядерной энергетике. Б. Понтекорво принимал активное участие во всех основных работах группы Э. Ферми в этот период. Им было впервые измерено сечение рассеяния медленных нейтронов протонами и ядрами и открыто явление аномально большого поглощения тепловых нейтронов ядрами гадолиния и некоторых других редкоземельных элементов.
С 1936 по 1940 год Б. Понтекорво работал в Париже в Институте радия в группе Ф. Жолио-Кюри. В Париже он изучал явление ядерной изомерии и внес существенный вклад в понимание этого явления. Б. Понтекорво предсказал существование бета-стабильных изомеров и открыл первый такой изомер. За работы по ядерной изомерии он был удостоен премии Кюри - Карнеги.
С 1940 по 1942 год Б. Понтекорво работал в США. Он предложил и реализовал на практике новый метод разведки нефти - нейтронный каротаж. Метод Понтекорво состоит в измерении наведенной нейтронами радиоактивности пород, через которые пробурена скважина. Радиоактивность сильно зависит от наличия в породах водородсодержащих веществ. Измерение радиоактивности позволяет судить о наличии воды и нефти в породах. В настоящее время нейтронный каротаж широко используется на практике.
В 1943 - 1948 годах Б. Понтекорво работал в Канаде. Он участвовал в качестве научного руководителя в разработке проекта и запуске самого мощного в то время исследовательского реактора на тяжелой воде в Чок-Ривере. В Канаде Б. Понтекорво начал заниматься физикой элементарных частиц. На него сильное впечатление произвел эксперимент Конверси - Панчини - Пиччиони, которым было доказано, что мюон является слабовзаимодействующей частицей (не частицей Юкавы, как предполагалось ранее). Что мы знаем об этой загадочной частице? На какие частицы распадается мюон? На эти и другие вопросы Б. Понтекорво ответил серией блестящих экспериментов, выполненных в Канаде. Он впервые показал, что заряженной частицей, испускаемой в распаде мюона, является электрон, что мюон распадается на три частицы и что распад мюона на электрон и фотон запрещен.
В те годы Б. Понтекорво много думал о мюоне. Он первым осознал глубокую аналогию между мюоном и электроном и пришел к идее µ - е- универсальности слабого взаимодействия. Б. Понтекорво оценил константу, которая характеризует процесс захвата мюона нуклоном, и показал, что эта константа того же порядка, что и константа Ферми. Он впервые пришел к идее о том, что слабое взаимодействие является универсальным взаимодействием, включающим не только бета-распад, но и такие процессы, как захват мюона. Гипотеза µ - е-универсальности слабого взаимодействия, которая впоследствии была выдвинута также Пуппи, лежит в основе современной теории электрослабого взаимодействия.
В Канаде Б. Понтекорво начинает думать о нейтрино. В те годы было широко распространено мнение о том, что в силу чрезвычайно малого сечения взаимодействия нейтрино с веществом обнаружить эту частицу практически невозможно. Б. Понтекорво показал, что это не так. Прежде всего необходимо было найти достаточно интенсивные источники нейтрино. Б. Понтекорво впервые обратил внимание на то, что интенсивными источниками нейтрино (точнее, антинейтрино) являются реакторы. Антинейтрино образуются в реакторе в результате бета-распада нейтроноизбыточных ядер - осколков деления. Работа реактора сопровождается испусканием около 1020 антинейтрино в секунду.
Другим интенсивным источником нейтрино, на который обратил внимание Б. Понтекорво, является Солнце. Образование энергии в реакциях солнечных термоядерных циклов превращения протонов в гелий сопровождается испусканием нейтрино. Поток нейтрино связан со светимостью Солнца. Ожидается, что поток нейтрино от Солнца составляет 6 • 1010 нейтрино/см2 • с.
И, наконец, третьим источником нейтрино, рассматриваемым Б. Понтекорво в то время, являлись радиоактивные источники, получающиеся в результате облучения некоторых элементов нейтронами в реакторах.
Итак, источники нейтрино были найдены. Необходимо было найти эффективный метод регистрации исключительно редких событий взаимодействия нейтрино с веществом. Б. Понтекорво предложил радиохимический метод регистрации нейтрино. Одной из реализаций идей Б. Понтекорво является хлораргонный метод регистрации нейтрино. Если большое количество вещества, содержащего 37C l , облучать нейтрино, то в результате реакции Понтекорво - Дэвиса v е + 37C l — > e - + 37A r образуются ядра радиоактивного 37A r , период полураспада которых составляет около 34 дней. Извлечение нескольких атомов благородного газа A r из большого количества вещества - хотя и трудная, но решаемая задача. Впоследствии она была решена Р. Дэвисом.
Б. Понтекорво внес значительный вклад в решение проблемы регистрации распада (К-захвата) 37A r . Для этого им была развита техника низкофоновых пропорциональных счетчиков с большим коэффициентом усиления.
Антинейтрино от реактора были зарегистрированы в середине 50-х годов Ф. Райнесом и К. Коуэном. Это была первая реализация идей Б. Понтекорво о возможности регистрации нейтрино. В 1995 году за открытие нейтрино Ф. Райнесу была присуждена Нобелевская премия.
Радиохимический метод Б. Понтекорво является в настоящее время одним из основных методов регистрации нейтрино от Солнца. Радиохимический хлор-аргонный метод был использован Р. Дэвисом и другими для регистрации солнечных нейтрино. Хотя солнечные нейтрино и были обнаружены в этом эксперименте, их поток оказался существенно меньше, чем ожидаемый.
Опыт Дэвиса позволяет регистрировать нейтрино относительно высоких энергий (порог реакции v е + 37C l — > e - + 37A r составляет 0,81 МэВ). В последние годы были поставлены два других эксперимента по регистрации нейтрино от Солнца (G A L L E X и S A G E ), в которых также используется радиохимический метод Б. Понтекорво. В этих экспериментах нейтрино регистрируется путем наблюдения реакции v е + 71G a — > e - + 71G e , порог которой составляет всего 0,23 МэВ. Измеренный в G A L L E X и S A G E поток солнечных нейтрино также оказался существенно ниже ожидаемого. Б. Понтекорво внес в решение этой проблемы определяющий вклад. Я вернусь к ее обсуждению позже. Итак, предложение Б. Понтекорво, сделанное в Канаде в далеком 1946 году, через много лет привело к созданию новой важной области исследований - нейтринной астрономии.
Продолжение следует.